CURS XII - chem.ubbcluj.rochem.ubbcluj.ro/~darab/courses/Organic_Chemistry_I/Curs-12.pdf · compusi carbonilici Definitie: compusi organici care contin gruparea functionala divalenta

CURS XII II.4. COMPUSI CARBONILICI 1 II.4.1. Nomenclatura 1 II.4.2. Structura grupei carbonil 2 II.4.3. Metode de obtinere a compusilor carbonilici 2 II.4.3.1. Metode oxidative 2 II.4.3.2. Metode reductive 3 II.4.3.3. Hidroborarea alchinelor 4 II.4.3.4. Reactia acizilor carboxilici si a derivatilor lor functionali cu compusi organometalici 5 II.4.3.5. Metode particulare 6 II.4.4. Proprietati fizice 8 II.4.5. Reactivitatea compusilor carbonilici 9 II.4.5.1. Generalitati 9 II.4.5.2. Reactii de Aditie Nucleofila simple 13 II.4.5.2.1. Nucleofili cu oxigen 13 II.4.5.2.2. Nucleofili cu halogen 14 II.4.5.2.3. Nucleofili cu carbon 15 II.4.5.2.4. Nucleofili cu sulf 17 II.4.5.3. Reactii de condensare (Aditie Nucleofila + Eliminare) 17 II.4.5.3.1. Nucleofili cu azot 17 II.4.5.3.2. Nucleofili cu carbon 21 II.4.5.4. Reactii ale compusilor carbonilici in pozitia α 27 II.4.5.5. Reactii redox 33 II.4.5.5.1. Reactii de oxidare 33 II.4.5.5.2. Reactii de reducere 34 II.4.5.5.2.1. Reactii de reducere partiala 34 II.4.5.5.2.2. Reactii de reducere totala 36 Modificarile ulterioare asupra continutului, operate de catre autor, nu fac obiectul vreunei notificari prealabile.

Mircea Darabantu CHIMIE ORGANICA an II Ing. CURS-XII Pag. 1

II.4. COMPUSI CARBONILICI Definitie: compusi organici care contin gruparea functionala divalenta carbonil >C=O legata de doi radicali hidrocarbonati sau de un singur radical hidrocarbonat si un atom de hidrogen.

HC

RO

RC

RO

ALDEHIDE- alifatice- aromatice

CETONE- alifatice (simetrice: acelasi R; nesimetrice: R diferit)- aromatice (simetrice: acelasi R; nesimetrice: R diferit)- mixte (nesimetrice: R diferit, alifatic si aromatic)

II.4.1. Nomenclatura ALDEHIDE: i) se adauga sufixul al (Rom. si Eng.) la denumirea alcanului cu acelasi numar de atomi de carbon. ii) se denumesc de la numele feminin al acidului carboxilic pe care il pot forma prin oxidare, precedat de cuvantul aldehida. iii) sunt foarte raspandite denumirile triviale !

H2C=O CH3-CH=O CH3-CH2-CH=O C6H5-CH=O C6H5-CH2-CH=O O=CH-CH=O Metanal

Aldehida formica Formaldehida

Etanal Aldehida acetica

Acetaldehida

Propanal Aldehida propionica Propionaldehida

Fenilmetanal Aldehida benzoica

Benzaldehida

Feniletanal Fenilacetaldehida

Aldehida fenilacetica

Dietanal Glioxal

CETONE: i) se adauga sufixul ona (Rom.), one (Eng.) la denumirea alcanului cu acelasi numar de atomi de carbon. ii) se citeaza alfabetic radicalii, urmat de sufixul cetona. iii) sunt foarte raspandite denumirile triviale !

CH3-CO-CH3 CH3-CO-CH2-CH3 C6H5-CO-CH3 C6H5-CO-C6H5 C O

Ciclopentanona Propanona

Dimetilcetona Acetona

Butanona Etilmetil cetona

Fenilmetil cetona Acetofenona

Difenil cetona Benzofenona

NOTA: daca in molecula mai exista o grupare functionala cu prioritate de citare (I.U.P.A.C.) mai mare decat carbonilul >C=O, de exemplu –COOH (Carboxil), se foloseste prefixul oxo pentru atomul =O, respectiv formil pentru grupa –HC=O atunci cand este legata ca si catena laterala, de exemplu:


CH3-C-CH2-COOHO

1234

Acid 3-oxobutanoic

O=CH-CH2-CH2-CH2-COOH12345

Acid 5-oxopentanoic

CH3-CH2-CH-CH2-COOHCH=O

12345

Acid 3-formilpentanoic

II.4.2. Structura grupei carbonil Vezi Curs 1, pag. 33, 34.

II.4.3. Metode de obtinere a compusilor carbonilici II.4.3.1. Metode oxidative

A) OXIDAREA ALCANILOR Vezi Curs 6, I.1.1.3.1.3. pag. 23. Prezinta interes industrial si oxidarea cu aer, a cicloalcanilor pentru prepararea cetonelor ciclice („ciclanone”) in prezenta catalitica a unor saruri organice de cobalt sau mangan [naftenati sau stearati, CH3-(CH2)16-COO-]:

[R-COO]2M, M: Co2+, Mn2+ "naftenati" ai acestor metaleR: radical hidrocarbonat saturat a(ciclic) ramificat al unor acizi carboxilici ("acizi naftenici"-nici o legatura cu naftalenul !) prezenti in unele fractiuni petroliere

CH2 + O2 / naftenati de Co sau Mn

- H2OC O

CiclohexanonaCiclohexan

B) OXIDAREA ALCHENELOR Vezi Curs 7, I.1.3.5.3.2., pag. 30, 31.

C) OXIDAREA ALCHILBENZENILOR LA CATENA LATERALA Similar cicloalcanilor si in aceleasi conditii, se obtin cetone aromatice nesimetrice (alchilfenil cetone):

C6H5-CH2-R + O2 → C6H5-CO-R + H2O Alchilbenzen Alchilfenil cetona

In aceasta serie de compusi carbonilici, de interes industrial este prepararea benzaldehidei (aldehida instabila, foarte usor oxidabila la acid benzoic, chiar la simplul contact indelungat cu oxigenul atmosferic) prin oxidarea toluenului.


C6H5-CH3+ 2 [O] / CrO3 + (CH3-CO)2O

Anhidrida aceticaOxidare

OH

OHC6H5-CH

Diol geminal neizolabilO-CO-CH3

O-CO-CH3C6H5-CH

Protejare rapida prin esterificare

Diester geminal izolabil

+ H2O exces- 2 CH3-COOH

Deprotejare

CH=O

Benzaldehida

D) OXIDAREA ALCOOLILOR SI PROCESE INRUDITE Curs 10, II.2.1.4.4., pag. 21, 22; Curs 10, II.2.1.4.5., pag. 23.

II.4.3.2. Metode reductive Aldehide prin reducerea blanda a clorurilor acizilor carboxilici.

i) prepararea agentului de reducere:

LiAlH4 + 3 (CH3)3C-OH → LiAlH[(CH3)3CO]3 + 3 H-H Hidrura de tritertbutoxilitiualuminiu

- LiAlH4, hidrura de litiu-aluminiu este un agent de reducere prea energic in scopul propus. - tert-butanolul este preferat deoarece, avand radicalul hidrocarbonat voluminos, este, practic, nenucleofil.

ii) reducerea in mediu riguros anhidru:

R Cl

O + LiAlH(t-BuO)3δ+

δ-

RO-Li

HCl

+ H2O- LiOH- Al(t-BuO)3

RO

HClH - HCl

R H

OLi+

H:- - intermediar tetraedric- inca un H:- l-ar reduce la alcool !

i) + LiAlH(t-BuO)3 conditii anhidre !ii) + H2O, - LiCl, -Al(OH)3, - t-BuOH

R Cl

O

R H

O

Clorura acida Aldehidaunul singur !!!


II.4.3.3. Hidroborarea alchinelor Vezi si Curs 7, I.1.3.5.1.2.3., pag. 19, 20. Se aplica in cazul alchinelor avand legatura tripla terminala (marginala), in vederea prepararii de aldehide. Regioselectivitatea interactiunii borului cu legatura tripla terminala din alchina, in acest caz, nu poate fi asigurata decat daca de catre un dialchil boran foarte incarcat steric, drept care: i) se prepara, preliminar, un dialchilboran foarte incarcat steric prin hidroborarea unei alchene cu legatura dubla cat mai substituita:

H3C

H3CC CH

CH3

+I

+I2-Metil-2-butena ("Amilena")

(H3C)2CH-CH=CH2 3-Metil-1-butena (Izoamilena)

+ BH3 (CH3)2CH-CH-BH2CH3

Radical secundar izoamilabreviat sec-izoamil sausiamil sau sia

(CH3)2C=CH-CH3 (CH3)2CH-CH-BH-CH-CH(CH3)2CH3 CH3

HB(sia)2 Siamilboran

Nota 1: borul se fixeaza pe atomul de carbon din dubla legatura cel mai degajat steric. Nota 2: reactia se opreste in etapa de dialchil boran (un trialchilboran de acest tip ar fi prea incarcat steric).

ii) se hidroboreaza alchina avand legatura tripla terminala cu dialchilboranul HB(sia)2 obtinut mai sus:

R-C CH+ HB(sia)2 R-HC CH-B(sia)2

+ NaOH, + H2O2 R-HC CH-O-B(sia)2+ H2O

- HOB(sia)2R-CH=CH-OH

R-CH2-CH=O

Enol

Aldehida

H

R-C CH

B(sia)2

R-HC CH-B(sia)2

O-OH

Na+

:..

R-HC=CH B(sia)2

O

OH

-

Na+

:- Na OH

Stare de tranzitie tetracentrica

tautomerie

-

..

....

..••

::

••:


II.4.3.4. Reactia acizilor carboxilici si a derivatilor lor functionali cu compusi organometalici

A) C E T O N E PRIN REACTIA ACIZILOR CARBOXILICI CU COMPUSI LITIO-ORGANICI Are loc dupa schema generala:

i) + 2 R'-Li mediu riguros anhidru !ii) + H2O, - 2 LiOH

R OH

O

R R'

O

R-COOH + R'δ--Liδ+ - R'-HR O-Li

O+ R'δ--Liδ+

RO-Li

R'O-Li

+ 2 H2O- 2 LiOH

RO-H

R'O-H

Diol geminalinstabil

- H2OR R'

O

Intermediar tetraedric

BazaAcid

δ-

δ+

Restrictii:

- radicalul R’ sa nu fie voluminos: atacul nucleofil la atomul de carbon carboxilic are fi impiedecat steric. - metoda este restransa ca aplicalbilitate la acizi carboxilici: in cazul utilizarii esterilor, este posibila si

formarea de alcooli tertiari prin Aditie Nucleofila urmata de Eliminare (global, o substitutie):

RO

R'O-R"


- R"-OLiLi

R R'

O+ R'δ--Liδ+

RO

R'R'


Li + H2O- LiOH

RO

R'R'H

R OR"

O + R'δ--Liδ+δ-δ+ δ+

δ-

B) C E T O N E PRIN REACTIA DERIVATILOR FUNCTIONALI AI ACIZILOR CARBOXILICI CU COMPUSI GRIGNARD Are loc dupa schema generala:

R-CO-Y + R’-MgX → R-CO-R’ + MgXY

Y: Cl (cloruri acide), OR” (esteri), NR2” (amide N-substituite), etc.

Mircea Darabantu CHIMIE ORGANICA an II Ing. CURS-XII Pag. 6 Mecanismul acestor reactii este de tip Aditie Nucleofila la dubla legatura din gruparea >C=O urmata de Eliminare (global o substitutie), toate gruparile Y:- eliminate fiind baze mai slabe decat carbanionul R’:-.

RO

R'Y


MgX

R Y

O + R'δ--Mgδ+X - MgXYR R'

O

Nota 1: viteza reactiei scade in functie de aptitudinea gruparii Y ca grupare fugace: -Cl > -OR" > -NR2"Nota 2: se utilizeaza un raport echimolar R-CO-Y : R'-MgX in caz contrar reactivul organomagnezian ar reactiona cu cetona formataNota 3: reactia se executa in mediu anhidru cerut de reactivul organomagnezian

δ-δ+

II.4.3.5. Metode particulare

A) BENZALDEHIDA PRIN FORMILAREA GATTERMANN-KOCH A BENZENULUI Vezi si Curs 10, II.2.2.4.3., pag. 35, 36. Este o metoda particulara de preparare industriala a benzaldehidei dupa schema generala:

C6H6 + CO C6H5-CH=OAlCl3 / HCl / conditii anhidre !

Mecanismul reactiei consta dintr-o Substitutie Electrofila catalizata de Acidul Lewis AlCl3, agentul electrofil fiind carbocationul formil (H-C+=O) generat in situ din CO si HCl:

-:C O:+ + HCl + AlCl3 [H-C≡O:+][AlCl4]- [H-C+=O:][AlCl4]-..

Purtatorul de electrofil

C6H6 + [H-C+=O:][AlCl4]-- [AlCl4]- / Lent

C6H5

CH=O

H+ + [AlCl4]- / Rapid- AlCl3, - HCl

C6H5-CH=O

Nota 1: reactie formal inrudita cu C-acilarea Friedel-Crafts a benzenului (Curs 8, I.2.3.2.5.2., pag. 29). Nota 2: un carbocation aciliu de tipul HC+=O trebuie generat in situ deoarece clorura acidului formic H-CO-Cl este instabila (se descompune rapid in CO + HCl, Curs 8, I.2.3.2.5.2., pag. 29).

Mircea Darabantu CHIMIE ORGANICA an II Ing. CURS-XII Pag. 7 B) CETONE AROMATICE PRIN C-ACILAREA FRIEDEL-CRAFTS A BENZENULUI Vezi Curs 8, I.2.3.2.5.2., pag. 29.

C) CETONE PRIN DECARBOXILAREA SARURILOR DE CALCIU ALE ACIZILOR CARBOXILICI Au loc dupa schema generala:

Se pot prepara atat cetone aciclice cat si ciclice care contin cu un atom de carbon mai putin fata de sarea de calciu.

D) ADITIA APEI LA ALCHINE Vezi Curs 8, I.1.5.2.2.2., pag. 13, 14.

E) HIDROLIZA ALCALINA A DERIVATILOR DIHALOGENATI GEMINALI

R

R Cl

Cl

SN+ H2O / HO-

- HCl R

R Cl

O H

Clorohidrina geminalainstabila

- HCl

R

RO

R

R OH

O H

SN+ H2O / HO-

- HCl

Diol geminal instabil

- H2OC6H5-CHCl2

+ 2 H2O- HCl

C6H5-CH(OH)2- H2O

C6H5-CH=O

EXEMPLU:Fabricarea benzaldehidei prin hidroliza clorurii de benzilidenrezultata la clorurarea toluenului la catena laterala (S.R. Curs 9, I.2.3.5.2.)

Clorura de benziliden

Compusii clorurati sunt preferati din cauza ca sunt cei mai ieftini. Mecanismul hidrolizei depinde esential de natura radicalilor hidrocarbonati R (de exemplu, in cazul benzaldehidei prin doua SN1 succesive).

CR O-

O

2Ca2+4 - 500 oC

uscat CR R

O+ CaCO3

CO-O-CO-O-

Ca2+ C O + CaCO3


II.4.4. Proprietati fizice a) STAREA DE AGREGARE - singurul compus carbonilic gazos, in conditii normale, este formaldehida, H2C=O. - termenii urmatori sunt lichide (CH3-CH=O p.f. = 21 oC , CH3-CO-CH3, p.f. = 58 oC) cu densitatea mai mica decat a apei. - termnenii superiori ai seriilor sunt solizi.

b) SOLUBILITATEA IN APA SI ALCOOLI - compusii carbonilici dezvolta legaturi de hidrogen cu apa si alcoolii:

R

(H)RO H

R(H)O

- termenii cu 1 – 3 atomi de carbon (aldehide si cetone) sunt perfect solubili in apa si alcooli; solubilitatea in apa scade pe masura ce radicalii hidrocarbonati R (hidrofobi) cresc.

c) MIROSUL SPECIFIC 3 2 1 C6H5-CH=O (benzaldehida): migdale amare; C6H5-CH=CH-CH=O (E-3-fenilpropenal, „aldehida cinamica”): miros de scortiosoara, etc.

d) MOMENTUL DIPOL AL LEGATURII CARBONIL >C=O

R1

R2C O..:

R1

R2C O..:

..+

-

(I) (II) (III)

R1

R2C O.. :δ+ δ- μ (D) R1 = R2 = H: 2.29 formaldehida

R1 = CH3, R2 = H: 2.69 acetaldehida R1 = R2 = CH3: 2.97 acetona

Cu cat efectul electronorespingator +I al radicalilor R creste, ponderea structurii limita (II) creste, respectiv sarcinile partiale δ (in III) cresc adica polaritatea dublei legaturii carbonilice (implicit scade caracterul ei de dubla legatura).

e) CARACTERISTICI SPECTRALE Spectroscopia RMN (Curs 4, pag. 12); Spectroscopia IR si UV (Curs 5, pag. 11-13, 23, 25); Spectroscopia de Masa (Curs 6, pag. 7, 8).


II.4.5. Reactivitatea compusilor carbonilici II.4.5.1. Generalitati

Reactivitatea f u n d a m e n t a l a a compusilor carbonilici este dictata de tendinta naturala a atomului de oxigen carbonilic de a (se) acomoda (cu) sarcina negativa:

CO

CH

:..

αC

OCH

:....

+

-

ATAC NUCLEOFIL

ATAC ELECTROFIL

α DEPROTONARE

δ-

δ+

CO

CH

:..

α δ-

δ+

-I, -E

Tipica este reactia de ADITIE NUCLEOFILA la dubla legatura carbonil >C=O; in acest context, compusii carbonilici pot fi considerati ca parteneri Electrofili cu carbon referitor la atomul de carbon carbonilic atacat de catre un Nucleofil.

Mecanismul general:

OCRR

..:π

Nu:-

δ+

δ-

≈ 107 oUnghiul de Atac Nucleofil (traiectorie Burgi - Dunitz)..

OCRR

.. :

Nu

Lent

Stare de tranzitie

-Nu

C ORR

:.... -

sp3 RapidH Nu Nu

C ORR

..

..H + Nu:-

≈ 107o- H+

≈ 107o

Nota 1: validitatea unghiului de atac variaza putin deoarece ea asigura cea mai buna intrepatrundere intre orbitalii Cδ+ si Nu:- combinata cu repulsia electrostatica intre perechea de electroni ai Nu:- si electronii neparticipanti ai oxigenului carbonilic.

Nota 2: in starea de tranzitie electronii π se deplaseaza spre oxigenul carbonilic fiind inlocuiti de cei ai Nu:-.

Mircea Darabantu CHIMIE ORGANICA an II Ing. CURS-XII Pag. 10 Nota 3: mecanismul Aditiei Nucleofile la dubla legatura carbonilica >C=O este mult favorizat de cataliza acida deoarece, preliminar, oxigenul carbonilic se protoneaza (functioneaza ca o baza) si, prin aceasta, se diminueaza mult energia de activare a procesului adica consumul energetic necesar separarii de sarcini in timpul atacului nucleofil.

R

RC O..:δ-δ+

+ H+Preechilibru rapid

- H+

R

RC O.. H+ ..

Carbocation stabilizatprin efectul +EOH

Nu H C O.. H + H+..

R

NuR Nota: in marea majoritate a

cazurilor, NuH este un acid mult mai slab decat cel utilizat drept catalizatorBaza

R

RC O.. H

+

INFLUENTE STRUCTURALE ASUPRA COMPUSILOR CARBONILICI IN REACTIILE DE ADITIE NUCLEOFILA

FACTORI STERICI: se refera la accesibilitatea nucleofilului la atomul de carbon carbonilic (implicit inscrierea acestuia pe traiectoria Bürgi – Dunitz).

FACTORI ELECTRONICI: se refera la efectele electronice ale substituentilor (R) grefati pe atomul de carbon carbonilic (maresc sau micsoreaza sarcina partial pozitiva a acestuia ?)

HC

HO

HC

R

O

(alchil)

CH

OC

H

O δ-1/3δ+

1/3δ+1/3δ+

+IH = 0Impediment steric minim

+IR diminueaza sarcina pozitiva de la carbonul carbonilic

R creaza impediment steric

δ-δ+

Conjugarea diminueaza sarcina pozitiva de la carbonul carbonilic: ea este disipata la nivelul cicluluibenzenic care creaza si impediment steric

RC

R

O(alchil)

C

R

Oδ-δ+ C

O

> >

> >

Scade reactivitatea in reactiile de Aditie Nucleofila la >C=O

(alchil) (alchil)

δ-

δ+ Cl C

Cl

Cl

CH=O >>

-ICl

-ICl

-ICl

δ+ δ-H C

H

HCH=O

-IH = 0

Efectele electronoatragatoare ale substituentilor grefati pe atomul de carbon carbonilic maresc sarcina pozitiva a acestuia si, implicit, reactivitateain reactiile A.N.

δ+ δ-δ+ δ-

CONCLUZIE: IN REACTIILE DE ADITIE NUCLEOFILA, aldehidele sunt mai reactive decat cetonele

Mircea Darabantu CHIMIE ORGANICA an II Ing. CURS-XII Pag. 11 TAUTOMERIA PROTOTROPICA DE TIP CETO-ENOLIC: COMPUSI CARBONILICI E N O L I Z A B I L I Proprietate a compusilor carbonilici care contin cel putin un atom de hidrogen in pozitia α fata de gruparea carbonilica:

Compus carbonilic

C CO

C CO

HH

Enol

α Tautomer carbonilic Tautomer enolic Csp2=Osp2 Csp2=Csp2

160.0 Kcal/mol 146.5 Kcal/mol

Consta din izomerizarea partiala a formei carbonilice (m a i s t a b i l a) in forma enolica (m a i i n s t a b i l a) prin migrarea, formala, unui proton („prototropica”) (Revezi Curs 8, I.1.5.2.2.2., pag. 13, 14; Curs 10, II.2.2.3., B, pag. 27, 28; Curs 11, II.3.3.2., pag. 5) Ea defineste exact notiunea de COMPUSI CARBONILICI E N O L I Z A B I L I . Starea de echilibru ceto enolic se poate atinge repede in cataliza acida sau bazica. In c a t a l i z a a c i d a :

C CO

H+ H+

- H+

Rapid

C COH

H:: :

+

- H+

+ H+

Lent

C COH:..

Mircea Darabantu CHIMIE ORGANICA an II Ing. CURS-XII Pag. 12 In c a t a l i z a b a z i c a :

i) Daca enolul (enolatul) participa, mai departe, la o reactie implicand pozitia α, echilibrele se deplaseaza catre dreapta, indiferent de tipul de cataliza.

ii) Generalizare: sunt combinatii CH acide (pseudoacizi) cele de tipul >CH-X=Y in care gruparea X=Y are efect –E si –I.

C CO

H+ B:- M+- BH

::

Proton acidifiatde efectele -IC=Osi -EC=O

C CO::

:-M+ C CO:..

:-M+

Anion enolat stabilizat prin conjugare

Nota 1: compusul carbonilic α-deprotonabil se denumeste ca si "combinatie CH acida (pseudoacid)".

Nota 2: aciditatea acestor combinatii CH acide este cca. pKa = 20, mai mica decat cea a HOH (pKa = 17) sau a R-OH inferiori (pKa = 18) asadar anionul enolat este o baza mai tare ca B-M+ de tip HO-Na+, EtO-Na+, etc. echilibrul fiind deplasat catre stanga.

Nota 3: echilibrul poate fi complet deplasat catre dreapta, in mediu riguros anhidru, cu BM mult mai tari ca anionul enolat, e.g. LDA (pKa = 40, Curs 11, II.3.5.1.).

+ BH- B:- M+

Nucleofil bidentat (Curs 9, II.1.5.1.)

C XY

H+ B:- M+- BH C X

Y:-M+ C X

Y: -M+

C COR

OH C N

O-

OH

-+ C C≡NH


II.4.5.2. Reactii de Aditie Nucleofila simple II.4.5.2.1. Nucleofili cu oxigen

ADITIA APEI

Este cunoscuta si sub denumirea de „hidratare” a compusilor carbonilici solubili in apa (termenii inferiori C1 – C3). Este un proces de echilibru intre compusul carbonilic si un diol geminal. Pozitia echilibrului depinde de natura compusului carbonilic.

R1

R2C O + H2O

R1

R2C

OH

OHCataliza acida (H+)sau Bazica (HO-)

Diol geminal; "Hidrat"

[Hidrat][Compus carbonilic]K =

C O+ H+

- H+ C OH+ + H2O

- H2OC

O+H2

OH - H+

+ H+C

OH

OHIn cataliza acida

C O+ HO-

- HO-C

O-

OH + H-OH- H-OH

COH

OH+ HO-

In cataliza bazica

R1

R2O

R1

R2 OH

OH K 2 × 10-3 7 × 10-1 2 × 103 3 × 103 0R1 CH3 CH3-CH2 H Cl3C C6H5R2 CH3 H H H H

benzaldehida: insolubila in apa

(H)

In unele cazuri, deplasarea echilibrului practic complet catre dreapta este sugerata chiar de denumirea triviala a compusului carbonilic, de exemplu:

- formaldehida H2C=O, ca solutie apoasa in care exista sub forma diolului H2C(OH)2, se numeste f o r m o l . - tricloroacetaldehida Cl3C-CH=O („cloral” lichid uleios) este stabila numai sub forma „hidratului de cloral”, un solid alb, Cl3C-CH(OH)2. - glioxalul O=CH-CH=O este stabil numai sub forma „glioxalului monohidrat” O=CH-CH(OH)2, solid alb.

ADITIA ALCOOLILOR

Vezi Curs 10, II.2.1.4.2.2, pag. 13.


ADITIA ACIZILOR CARBOXILICI

Specifica mai ales aldehidelor; furnizeaza mono- sau diesteri ai diolilor geminali:

R-CH=OA.N. / H+

+ R'-COOHR HC

O-CO-R'

OH

Monoester al diolului geminal

S.N. / H+

+ R'-COOH- H2O R HC

O-CO-R'

O-CO-R'

Diester al diolului geminal

Diesterii diolilor geminali pot fi priviti, la fel ca si acetalii (Curs 10, II.2.1.4.2.2., pag. 13), ca forme protejate, temporar, ale functiunii carbonil: hidroliza acida sau bazica a acestor diesteri reface functiunea carbonil initiala.

II.4.5.2.2. Nucleofili cu halogen Este de interes aditia hidracizilor HCl, HBr la aldehide: se obtin halohidrine geminale, instabile, care pot fi transformate mai departe, in cataliza acida, in eteri α,α’-dihalogenati mai stabili. (Halohidrine vicinale, Curs 7, I.1.3.5.1.2., pag. 15).

R-CH=O R HCX

OH

+ H+ - H+

R-HC-OHCarbocation stabilizat prin

efectul +EOH

+ X-

- X-

..

..R-CH=OH+..

..

..+ HX

- HX

+

+ H+

- H+

R-CHX-OH-CHX-R

α α'

R HCX

OH2+

- H2O

+ H2OR-HC-X

..+R-HC=X+

: ::....

..

.. Carbocationstabilizat prin

efectul +EX

- HO-CHX-R....

+

R-CHX-O-CHX-R

+ H+ - H+

A.N.Halohidrina

geminalaEter α,α'-

dihalogenat+ HO-CHX-R, - H2O / H+

SN1

..

- HO-CHX-R, + H2O / H+

+ HO-CHX-R....

Reversibilitatea reactiei si instabilitatea compusilor poate fi exploatata prin utilizarea halohidrinelor geminale si a eterilor α,α’-dihalogenati ca surse de carbocationi stabilizati (electrofili), R-CH+-OH sau R-CH+-X in reactii S.E. asupra unor substraturi reactive fata de acesti carbocationi.


II.4.5.2.3. Nucleofili cu carbon

ADITIA COMPUSILOR ORGANOMAGNEZIENI

Vezi Curs 10, II.2.1.2.2., 3D., pag. 7 ADITIA ACETILURILOR ALCALINE LA ALDEHIDE

Vezi Curs 8, I.1.5.2.3., pag. 17. ADITIA ACIDULUI CIANHIDRIC Decurge dupa schema generala:

C O + -:C≡N- -:C≡N

CC≡N

O- + H-OH, -HO-

- H-OH, +HO-C

C≡N

OH [Cianhidrina][Compus carbonilic]K =Cianhidrina

- duce la obtinerea de cianhidrine, nitrili ai acizilor α-hidroxicarboxilici. - are loc in mediu bazic, apos, prin tratarea compusului carbonilic cu o cianura alcalina, uzual K+ -CN.

- este un proces reversibil, anionul cian -:C≡N: fiind si o foarte buna grupate fugace (izoster cu molecula de azot !). - pozitia echilibrului depinde de natura compusului carbonilic, aldehidele fiind mai reactive decat cetonele.

CH3-CH2-CH=O + KCN / H2O CH3-CH2-CH-C≡NOH

+ 2 H2O / H+

- NH3CH3-CH2-CH-COOH

OH100 %Propanal2-Hidroxibutanonitril

4 3 2 1 4 3 2(α) 1

Acid α-hidroxibutanoic

A.N. Hidroliza

CH3-CH2-CO-CH3+ KCN / H2O

95 %CH3-CH2-C-C≡N

OH

CH3

2-Hidroxi-2-metilbutanonitril

+ 2 H2O / H+

- NH3CH3-CH2-C-COOH

OHAcid α-hidroxi-α-metilbutanoic

CH3


CH3-C-CO-C-CH3CH3

CH3

CH3

CH3 + KCN / H2O

5 %Ditertbutil cetona2,2,4,4-Pentanona 3-Ciano-2,2,4,4-tetrametil-3-pentanol

H3C CCH3

CH3

COH

C≡NC

1 2 3 4CH3

CH3

CH35

Condensarea benzoinica: reactie tipica Umpolung („inversarea polaritatii”) - tipica pentru aldehidele aromatice, mai ales in cazul benzaldehidei. - metoda de preparare a hidroxicetonelor vicinale aromatice. - metoda valorifica aptitudinea de Grupa Fugace a nucleofilului cian -:C≡N:. - decurge dupa schema:

2 Ph-CH=O-:C≡N Ph-CO-CHOH-Ph Benzoina:

Mecanism:

Ph-CH=O + -:C≡N Ph-C-O

CN

H

:....

-

Migrare proton spre a genera un carbaniondublu stabilizat prin conjugare

CC

OH

N

..

..:

- CC

OH

N..:-

C OH.. - C OH

CNCN..-

Ph CCN

OH-..

Nucleofil cu carbonfata de o alta moleculade benzaldehida

O=CH-Ph

Ph CHC

CN

OPh

OH

..: :-Ph C

HC

CN

O

PhOH- .. ::

- -:C≡N: Ph-CO-CHOH-Ph

-I, -Eδ+ δ-

δ- δ+

- rolul ionului cian este catalitic, el constand din activarea pozitiei benzilice din anionul cianhidrinei intermediare (efectul –ICN si –ECN faciliteaza migrarea protonului benzilic acidifiat C → O).


II.4.5.2.4. Nucleofili cu sulf Este de interes practic aditia sulfitului acid de sodiu (NaHSO3, „bisulfit de sodiu”) la compusii carbonilici inferiori, ca metoda de purificare expeditiva si foarte eficace a acestora:

C O+

-O-O

S OH Na+: CSO3

- Na+

OH

"Combinatie bisulfitica"

+ HCl- NaCl, -SO2, - H2O

C Oδ +δ -

La tratarea compusului carbonilic cu NaOH sol. aq. / SO2 (sursa comoda de NaHSO3) rezulta imediat „combinatia bisulfitica” a acestuia sub forma unui solid cristalin, stabil, insolubil in apa, usor filtrabil. Acesta poate fi, ulterior, descompus in mediu acid (e.g. cu HCl) spre a regenera compusul carbonilic initial.

II.4.5.3. Reactii de condensare (Aditie Nucleofila + Eliminare) Sunt denumite ca si r e a c t i i de c o n d e n s a r e procesele de Aditie Nucleofila la dubla legatura carbonilica urmate de Eliminare deoarece produsul reactiei A.N. este i n s t a b i l . Au loc in cataliza acida sau bazica; in urma reactiei de eliminare, uzual, se formeaza apa.

II.4.5.3.1. Nucleofili cu azot Acestia sunt de forma H2N-Y adica amine si analogi (inclusiv amoniac):

>C=O + H2N-Y → >C=N-Y + H2O

Condensarile au loc in cataliza slab acida (pH = 4.5 – 5, in prezenta CH3-COOH, p-Ts-OH etc.) pentru a activa dubla legatura carbonilica: medii mai acide ar protona amina anulandu-i nucleofilicitatea !: Y-NH2 + H+ → Y-NH3

+

CNH-Y

OH + H+

- H+C

NH-Y

OH2+

- H2OC NH-Y

..+C NH-Y

+ - H+C N-YEliminare E-1

in cataliza acida

Rapid..

.. ..

C O+ H+

- H+C OH

+C OH+ + H2N-Y

..Lent

CNH2-Y

OH

+

- H+C

NH-Y

OHAditia Nucleofilain cataliza acida Instabil

Rapid

..

Mircea Darabantu CHIMIE ORGANICA an II Ing. CURS-XII Pag. 18 Exemple:

Y-NH2 NH3 Amoniac

R-NH2 Amine primare

HO-NH2 Hidroxilamina

H2N-NH2 Hidrazina

Ph-NH-NH2 Fenilhidrazina

>C=N-Y >C=NH >C=N-R >C=N-OH >C=N-NH2 >C=N-NH-Ph Denumirea Imine

(Aldimine, Cetimine) Baze Schiff (Azometine)

Oxime (Aldoxime, Cetoxime)

Hidrazone Fenilhidrazone

Nota 1: produsii de condensare >C=N-Y sunt cu atat mai stabili cu cat este vorba despre termenii superiori ai seriilor. Nota 2: produsii de condensare pot fi hidrolizati in mediu apos puternic acid spre a regenera compusul carbonilic si amina de pornire: H2O este acum Nucleofilul in mare exces iar mediul puternic acid transforma nucleofilul Y- NH2 in specii Y-NH3

+ lipsite de nucleofilicitate !!

CONDENSAREA FORMALDEHIDEI CU AMONIACUL

Caz particular de condensare, conform reactiei stoichiometrice:

6 H2C=O + 4 NH3 → (CH2)6N4 + 6 H2O

3 CH2=O + 3 NH3 3 H2C=NH

A.N. + E-1 / H+

- 3 H2O

Formaldiminaextrem de reactiva

si neizolabila

NHH2CCH2NH

HN CH2

..

.. :Trimerizare HN

H2C NH

CH2

NHH2C N

NN HH

H

....

..

NN

N HH

H

....

..

Trimer ciclic neizolabil in aceste conditiiH2C=OO=CH2

CH2=ON

NNCH2OHHOCH2

CH2OH3 × A.N. / H+

NH3

NN

N

N- 3 H2O

H2C N CH2

N

H2C N CH2

NH2C

H2C

12

3

4567

89

10

1 2

3

456

7

8

9 10 1,3,5,7-tetraazatriciclo[3.3.1.13,7]decan

UROTROPINA

H+

Condensarea are loc rapid, la simpla incalzire si amestecare a reactantilor conform stoichiometriei mentionate. Cataliza acida este asigurata de urmele de acid formic (H-COOH) pe care formaldehida le contine inerent. Urotropina (solid cristalin) se descompune, la cald, devenind sursa de formaldehida si amoniac in sinteza organica.

Mircea Darabantu CHIMIE ORGANICA an II Ing. CURS-XII Pag. 19 Metilamina reactioneaza similar, reactia oprindu-se in etapa de trimer ciclic.

3 CH3-NH2 + 3 H2C=OA.N. + E-1 / H+

- 3 H2O3 CH3-N=CH2

N-metilformaldimina

N

H2C N CH2

NH2C CH3H3C

H3C

..

..

..

NN

N CH3H3C

H3C

....

..

PREPARAREA DE ENAMINE DIN CETONE ENOLIZABILE SI AMINE SECUNDARE

Vezi si Curs 8, I.1.5.2.2.4., pag. 15 si Curs 11, II.3.3.3.2., pag. 10. Enaminele (>C=C-N<) pot fi convenabil preparate din cetone enolizabile si amine secundare, in cataliza acida, dupa schema generala:

R1 C CH2O

R2+ R2NH H+R1-C=CH-R2 + H2O

NR2

Cetona enolizabilaEnamina

Mecanism: Reactia consta dintr-o Aditie Nucleofila urmata de o Eliminare E-1 care implica atomul de carbon din pozitia α fata de gruparea carbonil astfel incat sa rezulte produsul cu dubla legatura cea mai substituita.

R1 C CH2O

R2 + H+

- H+R1 C CH2

OHR2

+

R1 C CH2

OHR2+ + R2NH

..R1 C CH2

OHR2

NHR2+

R1 C CH2

OHR2

NR2

H+

- HOH

R1 C CH

NR2

+

..

..

H

R2 - H+Nota 1: Intermediarul cheie este un carbocation tertiar stabilizat prin efectele +I(R1), +I(CH2R2), +E(NR2). Daca R1 = H (aldehida) carbocationul este secundar, mai putin favorabil.Nota 2: eliminarea protonului se realizeaza astfel ca sa furnizeze dubla legatura cea mai substituita.

R1-C=CH-R2

NR2

A.N.

E-1


TRANSPOZITIA BECKMANN A CETOXIMELOR

Izomerizare caracteristica cetoximelor (nu si aldoximelor !) prin care acestea se transforma in amide N-substituite:

CR1

R2N-OH H+

Cetoxima Amida N-substituita

R1 = R2 ≠ H , R1 ≠ R2 ≠ HC NR2

HR1

O

Mecanism: - in conditii acide, are loc migrarea uneia dintre grupari, R1 sau R2, de la carbon la azot. - tinand cont de diastereo(izo)meria legaturii duble heterogene din oxime (Curs 3, 10.2.2.1., pag. 26), migreaza gruparea care se gaseste dispusa in trans (anti) fata de gruparea hidroxil.

C NOHR1

R2Trans

..

+ H+

R2

NCR1 OH

H

C NOHR1

R2 ..

H+ +

Stare de tranzitieciclica

NCR1

- HOH..

+R2

+ H2O, - H+C N

R2

R1

OH: C N

R2

HR1

O

- in conditiile de mai sus, un proton nu are aptitudini migratoare: reactia nu are loc in cazul aldoximelor ! - in carbocationul intermediar, R1 nu poate fi hidrogen (e.g. pornind de la o aldoxima), carbocationul rezultat fiind prea instabil.

Exemplu tipic de aplicare industriala:

C N-OH

Ciclohexanonoxima

H2SO4 dil.

NHC Oα

βγ

δε

ε-Caprolactama(Amida ciclica a acidului

ε-aminocapronic) (hexanoic)


II.4.5.3.2. Nucleofili cu carbon

CONDENSAREA ALDOLICA SI CROTONICA

Proces de condensare de importanta fundamentala, conform schemei generale:

C O CH2C O+ CCH C

OH

OComponentacarbonilica

A.N.Condensare aldolica

H+ sau HO-

Componenta metilenica

(combinatie CH acida ENOLIZABILA)

αβ

α

Aldol (Cetol)

ECondensare crotonica

H+ sau HO-

- H2O C CC Oαβ

Compus carbonilicα,β-nesaturat

Uzual, in aceste reactii, intermediarul aldolic (cetolic) este instabil, el trecand, cu usurinta, in produsul crotonic. Mecanism: In cataliza acida:

C O

CH2C O

C

CH C

OH

OH

Componentacarbonilica

αAldol (Cetol)

C CC Oαβ

Compus carbonilicα,β-nesaturat

H+

Enolizare in cataliza acida CC OHH Enolul

componentei metilenice

+ H+Activare dubla legatura

carbonilica in cataliza acida

- H+C OH

+......

..

..

..

Carbocationul componentei carbonilice

A.N.

Componentametilenica

+

- H+ CCH C

OH

O

+ H+

- H+

CCH C

OH2

O

+

- HOHC

C CO

H+ - H+E-1

Condensare aldolica("Aldolizare")

Condensare crotonica

("Crotonizare")

Mircea Darabantu CHIMIE ORGANICA an II Ing. CURS-XII Pag. 22 In cataliza bazica:

CCH

Oα

Componentametilenica

+ B:- M+ , - BH

+ BH, -B:- M+

Activare componentametilenica: enolizarein cataliza bazica

CHC O M+..

..:-

Enolatul componentei

metilenice

C O Componentacarbonilica.. :

A.N. CCH C

O

O

..:: - M+

Alcoxidul aldolului(Baza mai tare decatenolatul precursor)

COH

C C O.. - C

OHC C O-

Stabilizare prin conjugarea aldolului α-deprotonat

Condensare aldolica("Aldolizare")

C

OH

C C O.. - - HO- M+

C C C Oαβ Compus carbonilic

α,β-nesaturat

Condensare crotonica("Crotonizare")

α αβ βH

M+M+

M+

Exemple: a) condensarea intre doua aldehide identice:

CH3-CH=O + CH3-CH=O Aldolizare CH3-CH-CH2-CH=OOH

4 3 2 1

3-Hidroxibutanal

Crotonizare

HCH3C

HCC O

H

123

4 (E)-2-Butenal("Aldehida crotonica")Componenta

carbonilicaComponenta

metilenica

b) condensarea intre o aldehida si o cetona: condensare mixta, de interes limitat:

CH3-CH=O + CH3-CO-CH3Componenta

metilenicaComponenta carbonilica

Aldolizare CH3-CH-CH2-CO-CH3OH

5 4 3 2 1

4-Hidroxi-2-pentanona

Crotonizare

HCH3C CC CH3

H 12

34

O

5(E)-3-Pentenona

Componenta carbonilica este cea care contine legatura dubla carbonilica cea mai putin incarcata steric si atomul de carbon carbonilic cel mai electrofil, a l d e h i d a.

Mircea Darabantu CHIMIE ORGANICA an II Ing. CURS-XII Pag. 23 Inversarea rolurilor poate duce la produsul secundar alternativ:

CH3-CO-CH3 + CH3-CH=OComponenta

metilenicaComponenta carbonilica

Aldolizare CH3-C-CH2-CH=OOH

CH3 1

234

3-Hidroxi-3-metilbutanal

CrotonizareC C

H3C

H3C H

CH=O1

23

4

3-Metil-2-butenal

c) Cazurile de cel mai mare interes sunt acelea in care unul dintre partenerii carbonilici este ne-enolizabil:

Ph-CH=O + CH3-CH=OComponenta

carbonilicaComponenta metilenica

Aldolizare Ph-CH-CH2-CH=O 3 2 1

3-Fenil-3-hidroxipropanalOH

Crotonizare C CPh

H CH=O

H

12

3 (E)-3-Fenilpropenal(Aldehida cinamica)

NE-ENOLIZABILA

Indeplinesc aceasta conditie aldehidele si cetonele aromatice (Ar-CH=O, Ar-CO-Ar) si cele alifatice al caror atom de carbon din pozitia α este cuaternar (R3C-CH=O, R3C-CO-CR3).

In cazul in care atomul de carbon din pozitia α este tertiar, procesul se opreste in etapa de aldolizare:

>C=O + R2CH-CO- → >C(OH)-CR2-CO- R ≠ H ! Componenta Componenta Aldol Carbonilica Metilenica

In general, acolo unde este cazul, crotonizarile sunt trans-diastereoselective.

Crotonizarile sunt totdeauna regioselective: se formeaza un sistem conjugat 1,4-carbonilic (α,β-nesaturat). CONDENSAREA PERKIN

Reactie inrudita cu condensarea crotonica: metoda de preparare a acizilor carboxilici aromatici α,β-nesaturati:

Ar-CH=OH3C

H3C CO

CO

O

+Componentacarbonilica

Anhidrida acetica(Combinatie enolizabila CH acida)

Cataliza bazica(RO-, K2CO3 etc.) Ar-HC=CH

H3C CO

CO

O- H2O

Anhidrida mixta

Hidroliza finala+ H2O

C CCOOH

HAr

H+ CH3-COOH

Acid aromatic E-α,β-nesaturat

Mircea Darabantu CHIMIE ORGANICA an II Ing. CURS-XII Pag. 24 Generarea enolatului combinatiei CH acide:

O-CO-CH3

CH2CO

HO-Ac

CH2CO..-

Ac (Acetil)

O-AcCH2C

O-

Enolatul anhidridei acetice

Condensarea prin Aditie Nucleofila apoi Eliminare:

CPh

HO

O-AcCH2C

O-: :..

::..

A.N. CH

O O

C

H2CPh O

CO

H3C::..

-CH

OC

O

C

H2CPh

H3C O

O

::..-

A.N.O O

Ph O-:.... O-Ac

CH3CO

O O

Ph O C

CH3

OAcO....:

-

O O

Ph O AcH

Ac Ac

Ac

O

Ph OAc- AcOH

Eliminare

Anhidrida mixta

Hidroliza + H2O

- AcOHCH O

CC OHH

Acid (E)-3-fenilpropenoic(Acid cinamic)

12

3

A.N.Eliminare din intermediar tetraedric

Eliminare din intermediar tetraedric- AcO-

+ B:-, - BH+ BH, - B:-

δ+δ- δ+

δ-

δ+

δ-

Nota 1: reactia are loc la cald, de-obicei in prezenta catalititca a ionului acetat (CH3-COO-, AcO-) ca baza. Nota 2: este posibila realizarea legaturii duble >C=C< (ca in cazul crotonizarii) deoarece atomul de carbon din gruparea CH acida este primar.

CONDENSAREA KNOEVENAGEL Reactie inrudita cu condensarea Perkin, combinatiile CH acide fiind diesteri, nitroalcani (Curs 6, I.1.1.3.1.1.2., pag. 20) sau nitrili. Partenerul carbonilic cel mai utilizat este o aldehida. Sunt procese de forma:

R1-CH=O + R2-CH2-X=Y → R1-CH=C(R2)-X=Y + H2O

Mircea Darabantu CHIMIE ORGANICA an II Ing. CURS-XII Pag. 25 Exemple: a) prepararea de acizi carboxilici α,β-nesaturati:

CH3-CH=O + H2CC OEt

OEtC

Diesterul etilic alacidului malonic

A.N. + E / B:-- H2O

O

O

CH3-CH CCO-OEt

CO-OEt + 2 H2O / H+

- 2 EtOHCH3-CH C

CO-OH

CO-OH Δ- CO2

C CH

COOHH

H3C

Acid (E)-2-butenoic(Acid acrilic)

1

23

4

- formarea enolatului diesterului malonic:

CHCEtO

EtO CO

OCH:-

CEtO

EtO CO

O

-E

-EH CH

CEtO

EtO CO

O

..: :

CHCEtO

EtO CO

O

..: :

CHCEtO

EtO CO

O

(-)+ B:-, - BH+ BH, - B:-

-

-

Prezenta a doua grupe carbonil esterice (CO-OEt) cu efect –E mareste considerabil aciditatea protonilor metilenici. Optional, una din grupele carboxilice poate fi ulterior indepartata daca se considera ca ea a avut doar rolul de „activant” temporar al protonilor metilenici.

b) prepararea de nitroalchene:

R-CH=O + CH3-NO2

A.N. + E / B:-- H2O

HCR NO2

CH

Nitrometan

(E)-Nitroalchena

- formarea enolatului nitrometanului:

NO-

OCH2H +

+ B:-, - BHN

O-

OH2C +

..-- E

NO-

OH2C +

..: :-

+ BH, - B:-

Mircea Darabantu CHIMIE ORGANICA an II Ing. CURS-XII Pag. 26 d) prepararea nitrililor α,β-nesaturati :

R-CH=O + CH3-C≡NA.N. + E / B:-

- H2O

HCR C≡NC

H

Acetonitril(E)-Nitril α,β-nesaturat

- formarea azaenolatului acetonitrilului:

CCH2H+ B:-, - BH

CH2C..-- E

CH2C+ BH, - B:-N N N

..:-

CONDENSAREA CU FENOLI

Vezi Curs 10, II.2.2.4.3., pag. 33-35. Formaldehida ca atare sau protonata (H2C=O+H ↔ H2C+-OH) se manifesta ca electrofil cu carbon fata de pozitiile orto / para din fenol.

Reciproca implica faptul ca pozitiile orto / para din fenol (=CH-) se manifesta ca nucleofili cu carbon fata de atomul de carbon din formaldehida.

SINTEZA WITTIG A ALCHENELOR

Vezi Curs 7, I.1.3.3.1.5., pag. 10. Metoda de preparare a alchenelor din trifenilfosfina, un derivat halogenat cu reactivitate marita sau normala si un compus carbonilic, aldehida sau cetona, in prezenta unei baze tari (Georg Wittig, Premiul Nobel pentru Chimie, 1979):

Ph3P Cl-CH2-R1 R2-CO-R3 Na+H:- HC CR3

R2

R1 Ph3P O- H2NaCl+ + + ++

+ +Trifenilfosfina Trifenilfosfinoxid

- metoda cu larga aplicabilitate pornind dintr-o mare varietate de aldehide si cetone. - metoda inalt chemoselectiva: legatura dubla carbonilica (>C=O) este inlocuita cu o legatura dubla >C=C<. - metoda se bazeaza pe: - nucleofilicitatea ridicata a trifenifosfinei fata de compusi halogenati. - noua legatura formata P+→O- foarte puternica (cca. 130 Kcal/mol !!): forta motrice a reactiei !

Mircea Darabantu CHIMIE ORGANICA an II Ing. CURS-XII Pag. 27 Mecanismul general:

Ph3P..

- conjugare slaba p(P) → π (ciclu aromatic)- mult mai nucleofila decat Ph3N

Cl-CH2-R1+ Ph3P CH

H

R1+

Cl-Sare de fosfoniu

(izolabila)

+ Na+H:-- I

puternic

Ph3PHC R1

+SN..-Fosforilida

(intermediar cheie, cu doua sarcini + / -despartite localizate la doi atomi adiacenti)

Ph3P CH

R1

Ph3PHC R1

+..-

CR3

R2O

Cicloaditie Ph3P

O

R1

R3R2

CHCR3 R2

R1

Ph3P+

O+

δ+δ- : : ..:-..

- H2, -NaCl

δ+δ-

Exemple:

C O + ICH3+ Ph3P / NaH / DMSO sau THF

- NaI, - H2, - Ph3P+→O- C CH

H

Metilenciclohexan

CH

HO Cl-CH2-C6H5+

+ Ph3P / NaH / DMSO sau THF- NaCl, - H2, - Ph3P+→O- C CH-C6H5

H

HFeniletena (Vinilbenzen, Stiren)

II.4.5.4. Reactii ale compusilor carbonilici in pozitia α Cuprind totalitatea metodelor de functionalizare avansata a compusilor carbonilici enolizabili in pozitia α.

Consta din inlocuirea atomilor de hidrogen din pozitia α prin reactia formelor enolice cu electrofili sau enolatilor, ca nucleofili. Se desfasoara fie in cataliza (sau mediu) acid, cu implicarea enolilor fie in cataliza (sau mediu) bazic, cu implicarea enolatilor.


REACTIA MANNICH

Caracteristica mai ales cetonelor enolizabile care, in cataliza acida, prin tratare cu formaldehida si o amina secundara (uzual dimetilamina), furnizeaza β-aminocetone:

R1-CO-CH2 + H2C=O + (CH3)2NH H+ / Δ R1-CO-CH-CH2-N(CH3)2 + HOHR2

α βα

R2

Mecanism: i) in cataliza acida, din formaldehida si dimetilamina este generat un electrofil stabilizat:

H2C=O+ H+

- H+H2C=OH

+ +CH2-OHHN(CH3)2

..

(H3C)2N-CH2-OH+ - H2O

(H3C)2N-CH2-OH2+

(H3C)2N-CH2+..

(H3C)2N=CH2+

Cation de dimetilimoniuElectrofil cu carbon

..

........ ..

H

ii) in cataliza acida are loc atacul electrofil asupra pozitiei α din enolul cetonei:

R1-CO-CH2-R2 H+C C

R2

HR1

HO..:

+ CH2-N(CH3)2+

HO R2CC

CH2-N(CH3)2R1

+ O R2CC

CH2-NH(CH3)2R1+

"Sare a Bazei Mannich"

+ HO-(alcalinizare finala)

- HOH

O R2CC

CH2-N(CH3)2R1

enolizare

enolul cetonei

H H

H

.. ..

.... ..:

Nota 1: reactia este sintetic utila pentru cetonele enolizabile simetrice, R2C=O (e.g. CH3-CO-CH3, etc.) deoarece ele genereaza u n e n o l u n i c.

Mircea Darabantu CHIMIE ORGANICA an II Ing. CURS-XII Pag. 29 Nota 2: reactia este sintetic utila pentru cetonele enolizabile nesimterice, R1-CO-R2 (e.g. Ph-CO-CH2-Ph, etc.) cu conditia de a genera u n e n o l u n i c: Ph-C(OH)=CH-Ph.

Nota 3: in cazul cetonelor dienolizabile nesimterice, R1-CO-R2 (e.g. CH3-CO-CH2-CH3, etc.) se formeaza majoritar (nu insa exclusiv !!) enolul care contine dubla legatura cea mai substituita:

H2C=C-CH2-CH3

OH H+

H3C-C-CH2-CH3

O H+

C CHO

H3C H

CH3

(E + Z)

α-NITROZAREA

In cataliza acida sau bazica, cetonele enolizabile reactioneaza cu acidul azotos sau cu esteri ai acestuia, nitriti de alchil (Curs 10, II.2.1.4.2.3., pag. 16) spre a furniza, in final, α-dicetone:

R1-CO-CH2-R2

NaNO2 / H+ / cataliza acida / +N=Osau

R-O-N=O / HO- / cataliza bazica

OCR1

R2C

OHN

α-Diceton-monooxima

Hidroliza+ H2O / H+

- H2N-OHOCR1

R2CO

α-Dicetona

In alegerea cetonei supuse nitrozarii actioneaza aceleasi reguli ca si in cazul reactiei Mannich (Notele 1 – 3).

Mecanism: - α-nitrozare prin mecanism electrofil in cataliza acida (electrofil: ionul de nitrozoniu, vezi Curs 10, pag. 37, II.2.2.4.3., Curs 11, II.3.5.5., pag. 30) asupra formei enolice a cetonei.

- α-nitrozare prin mecanism nucleofil in cataliza bazica asupra nitritilor de alchil (nucleofil: enolatul cetonei).


R1-CO-CH2-R2

+ HO-

- HOH

+ HOH- HO-

H+C C

R2

HR1

HO..:enolul cetonei

C CR2

HR1

O..:enolatul cetonei

:-

+ +N=O

RONO

C CHR2

R1

O

N=O

H +..

R1 COHCR2

N ORO:: ..

..

-

- H+

- RO-

R1 CO C R2N

H

O

α- Nitrozocetona(Tautomer nitrozo)

-ENOputernic..

::

OCR1

R2C

OHN

Tautomer oximaδ+δ-

Nota 1: despre tautomeria nitrozo – oxima vezi si Curs 10, II.2.2.4.3., pag. 38. Nota 2: nitritii de alchil (R-O-N=O, Curs 10, II.2.1.4.2.3., pag. 16) preferati sunt cei care au radicalul R voluminos si ramificat, mai putin toxici. α-ALCHILAREA Consta din tratarea compusilor carbonilici cu compusi halogenati (cu reactivitate marita sau normala, Curs 9, II.1.5., pag. 16), in prezenta bazelor alcaline, dupa schema generala:

CH

CO + B:- , - BH

CCO

.. - CCO::..-

α R X..

:..- X-

SN2

Enolat alcalin

CCO R

Compus carbonilicα-alchilat

αδ+

δ-

Conditii: i) echilibrul de deprotonare al compusului carbonilic sa fie cat mai deplasat catre dreapta prin aceea ca compusul carbonilic este o combinatie suficient CH acida iar baza utilizata, este inerta fata de compusul halogenat, de exemplu:


H3C CHC CH3

CO O

H2,4-Pentandiona

2 4

proton acidifiatde doua grupari-ECO

+ ICH3 / K2CO3- KI H3C CH

C CH3C

O O

CH3

12

34

5

3-Metil-2,4-pentandiona

-E -E

C

O

O

H

SN2

1,3-Ciclohexandiona

+ H2C=CH-CH2Br / KOHSN2

- KBr C

O

O

CH2-CH=CH2

2-Alil-1,3-ciclohexandiona

1

3

C

O

O

:- K+

O

O

:- K+

- HOHO

O

:- K+ O

O

(-) K+

C

O

O

:- K+

O

O

:- K+

O

O

:- K+ O

O

(-) K+

Este cazul compusilor 1,3-dicarbonilici ai caror enolati sunt puternic stabilizati prin conjugare (nucleofili moi), cu tendinta minora de a participa la reactia concurenta, cea de aldolizare (la limita, crotonizare).

ii) echilibrul de deprotonare al compusului carbonilic sa fie complet deplasat catre dreapta prin aceea ca compusul carbonilic este o combinatie insuficient CH acida necesitand ca baza utilizata sa fie foarte puternica si (foarte) incarcata steric (tipic LDA), asadar nenucleofila fata de compusul halogenat:

C

O+ [(CH3)2CH]2NLi / - 78 oC / THF

- [(CH3)2CH]2NHconditii riguros anhidre

C

O-Li..

:CH3-I / SN2

- LiIC

OCH3

2-Metilciclohexanona

LDAH

LDA: vezi Curs 11, II.3.5.1., pag. 17

δ+ δ-

Este cazul compusilor monocarbonilici (aldehide si cetone) cind utilizarea de baze mai slabe (hidroxizi alcalini, alcoxizi) ar favoriza si reactia concurenta, cea de aldolizare (la limita, crotonizarea), inclusiv reactii S.N. ale acestor baze, ca nucleofili, fata de compusul halogenat.

Mircea Darabantu CHIMIE ORGANICA an II Ing. CURS-XII Pag. 32 α-HALOGENAREA

Consta in substitutia electrofila a atomilor de hidrogen din pozitia α din aldehide si cetone cu atomi de halogen (clor sau brom) in cataliza acida sau bazica via forma enolica (cataliza acida) sau enolat (cataliza bazica):

In cataliza acida:

C

H

CO

CCOH

α- X-

Enolul culegatura dubla

cea mai substituita !

CCO

X

Compus carbonilicα-halogenatα

X....Xδ+ δ-

..

.. ....: :+ H+

- H+

..:

..:

CCOH

X

α

..+- H+

In cataliza bazica:

CH

CO + B:- , - BH

CCO

.. - CCO::..-

α- X-

Enolat alcalin

CCO X

Compus carbonilicα-halogenatα

X....Xδ+ δ-

..

.. ....: :

Atomul de hidrogencel mai acid din molecula !

Note: i) in general, bromul este halogenul preferat. ii) regioselectivitatea halogenarii este totala in cazul aldehidelor (R-CH2-CH=O si R2CH-CH=O) iii) regioselectivitatea monohalogenarii este totala in cazul cetonelor simetrice (R-CH2-CO-CH2-R, R2CH-CO-CHR2) si nesimetrice de forma R3C-CO-CHR2 (e.g. Ph-CO-CH3).

CH

CO α + X2

- HX CX

CO α

Mircea Darabantu CHIMIE ORGANICA an II Ing. CURS-XII Pag. 33 In cazul altor cetone nesimetrice, regioselectivitatea halogenarii poate fi decisiv influentata prin alegerea conditiilor (acide sau bazice) de efectuare a halogenarii. Exemplu:

H3C-CO-CH2-CH3

+ Br2 / - HBr(Bazic) H2CBr-CO-CH2-CH3

1-Bromo-2-butanona

+ Br2 / - HBr(Bazic) HCBr2-CO-CH2-CH3

1,1-Dibromo-2-butanona

+ Br2 / - HBr(Bazic) Br3C-CO-CH2-CH3

1,1,1-Tribromo-2-butanona

k1 < k2 < k3 : pe masura ce bromurarea avanseaza, α-hidrogenii vizati sunt dince in ce mai acizi (sub influenta efectului -ECO si, crescand, cel -IBr)

k1 k2 k3

H3C-CO-CHBr-CH3

+ Br2 / - HBr(Acid)

3-Bromo-2-butanona

+ Br2 / - HBr(Acid) H2CBr-CO-CHBr-CH3

1,3-Dibromo-2-butanonak1 k2

k1 >> k2 : pe masura ce bromurarea avanseaza, gruparea carbonilicase protoneaza tot mai dificil, sub influenta efectului -IBr)

II.4.5.5. Reactii redox II.4.5.5.1. Reactii de oxidare Oxidarea aldehidelor duce la obtinerea acizilor carboxilici:

Agentul oxidant specific este K2Cr2O7 / H2SO4 (diluat !). Au valoare sintetica si analititca reactivii de oxidare specifici aldehidelor: Reactivul Tollens:

R-CH=O + 2 Ag(NH3)2OH → R-COOH + Ag ↓ + H2O + 4 NH3

CH

OR

+2-2

CO-H

OR

+3-2

-2+1

[O]

Mircea Darabantu CHIMIE ORGANICA an II Ing. CURS-XII Pag. 34 Reactivul Fehling:

R-CH=O + 2 Cu(OH)2 → R-COOH + Cu2O ↓ + 2 H2O

Oxidarea Baeyer – Villiger Specifica cetonelor dar si anumitor aldehide:

Oxidantul este acidul peracetic (vezi si Curs 6, pag. 18 si Curs 13, II.5.1.2.2.3.):

R1

R2C O.. :δ+

δ-HO-O-CO-CH3..

.. AditieNucleofila

R1

R2C

O

O

H..

:

O CO-CH3..:....

Migrare R2 mai voluminos ca R1

Radical tertiar > secundar > primar > CH3 > H Scaderea aptitudinii de migrare

- - O-CO-CH3....:

O R2

OCR1

H

..:

:+- H+

O R2

OCR1

..:

.. ..

Ester

II.4.5.5.2. Reactii de reducere II.4.5.5.2.1. Reactii de reducere partiala Reducerea partiala a aldehidelor furnizeaza alcooli primari iar reducerea partiala a cetonelor furnizeaza alcooli secundari (vezi Curs 10, II.2.1.2.2. pct. 3, A si B, pag. 5, 6).

Reducerea Meerwein – Pondorf – Verley vs. Oxidarea Oppenauer

Consta in reducerea, reversibila, a unei cetone (inclusiv a celor cu structura foarte elaborata) la alcoolul secundar corespunzator fara a afecta vreo alta grupare functionala din structura cetonei. Are loc la cald, sub actiunea catalitica a izopropoxidului de aluminiu Al(O-iPr)3, in conditii anhidre:

R1

R2C O

+ CH3-CO-O-OHacid peracetic R1(2)

C O- CH3-COOH

R2(1)-O

+ H2O (hidroliza)

- R2(1)-OH

R1(2)

C OHO

Ester Acid carboxilicCetona


Al + 3 HO-CH(CH3)2 Al[O-CH(CH3)2]3 + 1.5 H2

HgCl2 (cat.)Mediu anhidru !

izopropoxid de aluminiuizopropanol

R2C

R1

O + HO-CH(CH3)2izopropanol

HOsau

ciclohexanol

Reducere Meerwein-Pondorf-Verley

Al[O-CH(CH3)2]3izopropoxid de aluminiu

Oxidare Oppenauer

Cetonaoarecare

R2CH

R1

+ O=C(CH3)2acetona

Osau

ciclohexanona

OH

Alcool secundaroarecare

Are loc printr-o stare de tranzitie ciclica in cursul careia, f o r m a l, un ion hidrura din Al(O-iPr)3 este transferat cetonei materie prima: are loc reducerea Meerwein-Pondorf-Verley a acesteia; invers, are loc oxidarea Oppenauer.

Al(O-iPr)2OC

H CH3

CH3

::R1

R2C

O:..

O

CH

C

OAl

O-iPriPr-O

CH3CH3R2

R1C

R1 R2

O-Al(O-iPr)2

+ CH3C CH3

O

Continuarea reactiei: refacerea catalizatorului Al(O-iPr)3

R1R2CH-O-Al(O-iPr)2 + iPr-OH R1R2CH-OH + Al(O-iPr)3

H

prezent in reactiede la inceput

Terminarea ("stoparea") reactiei: distrugerea mediului anhidru prin adaos de apa:

R1R2CH-O-Al(O-iPr)2 + H2O R1R2CH-OH + Al(O-iPr)2(OH)

Al(O-iPr)3 + 3 H2O Al(OH)3 + 3 iPr-OH + H2O, "distrugere"completa

Al(OH)3 + iPr-OH

reintra incircuitul reactiei

Mircea Darabantu CHIMIE ORGANICA an II Ing. CURS-XII Pag. 36 Reducerea Meerwein-Pondorf-Verley: se utilizeaza, de la inceput, exces mare de alcool (izopropanol, ciclohexanol) ca reducatori (deplasare echilibru inspre dreapta). Oxidarea Oppenauer: se utilizeaza, de la inceput, exces mare de cetona (acetona, ciclohexanona) ca oxidanti.

Reactia Canizzaro

Cunoscuta si sub denumira de „dismutatie” („disproportionare”) Canizzaro. Are loc in mediu apos alcalin (NaOH), la cald. Caracteristica aldehidelor lipsite de grupari „CH” acide in pozitia α fata de gruparea carbonil (e.g. Ph-CH=O, H2C=O): acestea, in mediu alcalin, nu dau reactii de condensare aldolica sau crotonica cu ele insele. Urmare a reactiei Canizzaro, o molecula de aldehida se oxideaza (functioneaza ca reducator) la acidul carboxilic corespunzator iar cealalta (functionand ca si oxidant) se reduce la alcool primar.

2 R-CH=O + NaOH → R-COO-Na+ + R-CH2OH

R CH O:..δ+ δ- HO:- Na+..

..Aditie

nucleofilaR C

O

H

O - Na+....:

R CH O:..

δ+ δ-

H:..

- H+

+ H+

R CO-Na+

O+ R-CH-OH

R: Ph, H, etc.

..: H

II.4.5.5.2.2. Reactii de reducere totala Sunt procese de reducere a functiunii carbonil (aldehida sau cetona) care pot fi reprezentate formal ca:

>C=O + 4 H → >CH2 + H2O Metoda Clemmensen

Are loc in mediu puternic acid (donor de protoni) sub actiunea Zn (amalgamat cu Hg) ca donor de electroni, la fierberea amestecului de reactie:


C O

+ 4 e- + 4 H+

[2 Zn(Hg) + 4 HCl → 2 ZnCl2 + 4 e- + 4 H+ + Hg]C

H

H+ H2O

Aldehida sau cetona

Metoda Kishner – Wolff

Are loc in mediu puternic alcalin (KOH / H2O, EtO-Na+/solvent anhidru, etc.) la cald (150 oC) Metoda aplicabila atat aldehidelor cat si cetonelor susceptibile a fi transformate, preliminar, in hidrazonele corespunzatoare (II.4.5.3.1., pag. 17) asupra carora se executa reducerea propriuzisa.

C O

Aldehidasau cetona

(I)+ H2N-NH2

hidrazina- H2O C N-NH2

Hidrazona

(II)KOH / H2O / 150 oC

-N2C

H

H

Desfasurarea reactiei:

C N-NHHidrazona

H.. + -OH

- HOH C N....NH-.. ..

C N ..N..

H..-

CN

H

N-......

CH

- N≡N....

:- + HOH- HO- C

H

H

Documents

CURS XII - chem.ubbcluj.rochem.ubbcluj.ro/~darab/courses/Organic_Chemistry_I/Curs-12.pdf · compusi carbonilici Definitie: compusi organici care contin gruparea functionala divalenta